CN113722945A - 一种用于辅助cso调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法 - Google Patents

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王浩正
张磊
刘海婷
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Abstract

一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，包括下述步骤：1、基于城市水系统仿真模型，建立合流制调蓄池动态模拟模型；2、确定调蓄池服务范围内合流制汇水区水文属性：3、确定气象数据；4、确定旱季污水量及截流倍数；5、确定模拟参数及降雨场次划分参数；6、确定调蓄池设计参数；7、计算出一定调蓄池规模下系统的溢流量和溢流频次并记录在表格中；8、重复步骤6得出不同调蓄池规模下系统的溢流量和溢流频次；9、计算不同调蓄池规模下的溢流削减率。本发明基于城市水系统仿真模型，通过对不同调蓄池规模合流制排水系统进行动态模拟，得出成本效益曲线，合理确定调蓄池规模并量化评估调蓄池的控制效果。

Description

一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分 析方法
技术领域
本发明属于合流制调蓄池规模计算的技术领域，特别涉及一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法。
背景技术
现阶段我国仍有许多城市采用合流制排水系统，将城市生活污水和雨水排放到一个统一的管道网络中，将混合产生的废水输送到管道末端的处理装置或污水厂集中处置。然而，由于经济造价的限制，合流制管网的设计常常不能承载因降雨事件而产生的高排放量，降雨产生的绝大部分雨水进入管道与污水混合，超过管道承载能力而产生的溢流污水直接排放至受纳水体中造成河流污染，称为合流制溢流污染，简称CSO。研究表明，CSO受径流初期冲刷、管道冲刷和生活污水等综合影响，导致其污染物质具有悬浮物、有机物、氮含量高等特点，其所含有的大量污染物是许多天然水体水质恶化的主要原因。为了解决CSO问题，多国技术人员发现调蓄池对CSO污染具有较好的控制效果，在合流制管网系统中增加调蓄池等调蓄设施，以储存并滞留降雨过程中溢流产生的污水量，保证了管道末端污水处理厂的良好性能，避免了对城市水体的污染。
在合流制管网末端建设调蓄池工程能有效提高城市排水系统能力，利用调蓄池存储溢流混合雨污水，待降雨结束后再将其输送至后续截流管道，通过调蓄池的缓冲作用，可以显著提高截流系统的截流倍数，增大现有截流管道的受纳能力，降低对现有排水系统的改造投资。CSO末端调蓄池工程既是城市基础设施工程，也是海绵城市示范区建设的重点工程，因此，调蓄池的研究对控制合流制溢流污染十分必要。
现行的调蓄池设计多采用经验公式法或数学模型模拟计算法，经验公式法具有一定的优势，如操作简单、不需要大量的数据资料，但其存在如下缺陷：1、不同地区自然条件、降雨特征及下垫面情况各有不同，采用经验取值很难得到相对精确的较优方案，在缺少实际条件对经验公式参数取值修正的前提下，调蓄池设计取值偏于保守从而导致浪费了较多的工程投资；2、调蓄池容积一定的情况下降雨量与合流制溢流量、合流制溢流污染的关系不明确，不能定量描述与反应调蓄池的控制效果。而数学模型模拟计算法，是通过建立合流制系统水文、水力模型，利用场次或连续降雨模拟CSO，确定满足设计目标的调蓄规模，而模型法通常需要大量的基础数据导致很多项目无法满足条件。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，该方法基于城市水系统仿真模型，通过对不同调蓄池规模合流制排水系统进行动态模拟，得出成本效益曲线，合理确定调蓄池规模并量化评估调蓄池的控制效果。
如上构思，本发明的技术方案是：一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，其特征在于：包括下述步骤：
步骤1：基于城市水系统仿真模型，建立合流制调蓄池动态模拟模型；
步骤2：确定调蓄池服务范围内合流制汇水区水文属性：
步骤3：确定气象数据，即月均潜在日蒸发强度和降雨时间序列；
步骤4：确定旱季污水量及截流倍数；
步骤5：确定模拟参数及降雨场次划分参数；
步骤6：确定调蓄池设计参数，即设计规模、形状曲线和排空时间；
步骤7：模拟计算，得出一定调蓄池规模下系统的溢流量和溢流频次并记录在表格中；
步骤8：重复步骤6调整调蓄池规模参数，重复计算，得出不同调蓄池规模下系统的溢流量和溢流频次；
步骤9：统计分析，计算不同调蓄池规模下的溢流削减率，并绘制不同调蓄池规模下此合流制系统溢流量、溢流削减率和溢流频次的成本效益曲线。
进一步，所述步骤1中，基于城市水系统仿真模型，通过拖住模块和连接模块实现建模。
进一步，所述步骤2中，合流制汇水区水文属性包括面积、宽度、坡度、不透水百分比、透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数、透水区洼蓄、不透水区洼蓄、最大入渗速率、最小入渗速率、入渗衰减系数、干燥天数、最大入渗量。
进一步，所述步骤4中，通过分流器模拟分流/截流设施，分配上游来水水量，来水流量一部分通过分流器模拟截流设施进入截污干管，另一部分流量会进入调蓄池。
进一步，所述步骤5中，降雨场次划分参数设置如下：降雨间隔期为2.0h，场次降雨扣除量为2.0mm。
进一步，所述步骤6中，通过设置调蓄池最大深度、深度-面积曲线来确定设计规模和形状曲线，通过设置泵的最大功率以及泵的启闭液位来确定调蓄池的排空时间。
进一步，所述步骤9中，统计得出不同调蓄池规模下合流制系统溢流量、溢流削减率和溢流频次表，并绘制调蓄池规模、溢流量、溢流削减率曲线图和调蓄池规模与溢流频次关系曲线图。
与现有技术相比，本发明具有的优点
1、本发明基于城市水系统仿真模型，实现快速构建模型，利用场次或连续降雨输入数据，进行合流制系统有限差分演算，实现CSO动态模拟。
2、本发明通过预设合流制系统模拟参数(合流汇水区水文属性、调蓄池设计参数、气象数据、截流倍数、场次划分参数、模拟计算参数等)，模拟汇水区降雨蒸发-入渗-径流过程、调蓄池入流、排空过程以及截流系统CSO，利用场次分析结果，统计场次溢流事件和溢流量。
3、本发明对不同CSO调蓄池规模的合流制系统进行动态模拟，得出调蓄池规模与溢流量、溢流削减率及溢流频次的关系曲线，分析边际效益，得出拐点规模，结合控制指标和成本效益，优化CSO削减方案，为CSO调蓄池规模的确定提供辅助的方法。
4、本发明除调蓄池外，此模型对所有具有调蓄功能的设施，如湿地、滞留塘等，均可用于辅助设计，用于具有在线或离线调蓄和净化功能的设施、雨水回用设施的动态模拟和辅助设计。
附图说明
图1是本发明计算方法流程示意图；
图2是本发明步骤4通过分流器模拟分流/截流设施，分配上游来水流量示意图；
图3是连续降雨情景下合流制溢流排口的溢流量过程线图；
图4是调蓄池规模、溢流量、溢流削减率曲线图；
图5是调蓄池规模与溢流频次关系曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细的介绍和描述，以使更好的理解本发明内容，但是应理解的是，下述实施例并不限制在本发明范围。
请参照图1，本发明提供一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，包括下述步骤：
步骤1：基于城市水系统仿真模型，通过拖住模块(汇水区、分流器、节点、管道、调蓄池、排口等)和连接模块实现快速建模；
步骤2：确定调蓄池服务范围内合流制汇水区水文属性，所述合流制汇水区水文属性包括面积、宽度、坡度、不透水百分比、透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数、透水区洼蓄、不透水区洼蓄、最大入渗速率、最小入渗速率、入渗衰减系数、干燥天数、最大入渗量；
步骤3：确定气象数据，即月均潜在日蒸发强度和降雨时间序列；
步骤4：确定旱季污水量及截流倍数，通过分流器模拟分流/截流设施，分配上游来水水量，如估计旱季污水量为0.0261m3/s，截流倍数为一倍截流；通过分流器模拟截流设施，分流器截流0.0522m3/s的流量进入截污干管，超过0.0522m3/s的流量会进入调蓄池；
步骤5：确定模拟参数及降雨场次划分参数，降雨场次划分参数设置如下：降雨间隔期为2.0h，场次降雨扣除量为2.0mm；
步骤6：确定调蓄池设计参数，即设计规模、形状曲线和排空时间，通过设置调蓄池最大深度、深度-面积曲线来确定设计规模和形状曲线，通过设置泵的最大功率以及泵的启闭液位来确定调蓄池的排空时间；
步骤7：模拟计算，得出一定调蓄池规模下系统的溢流量和溢流频次并记录在表格中；
步骤8：重复步骤6调整调蓄池规模参数，重复计算，得出不同调蓄池规模下系统的溢流量和溢流频次；
步骤9：统计分析，计算不同调蓄池规模下的溢流削减率，并绘制不同调蓄池规模下此合流制系统溢流量、溢流削减率和溢流频次的成本效益曲线，具体方法是：统计得出不同调蓄池规模下合流制系统溢流量、溢流削减率和溢流频次表，并绘制调蓄池规模、溢流量、溢流削减率曲线图和调蓄池规模与溢流频次关系曲线图。
通过本发明研究以西南某地区合流制排水系统为例，区域总面积为166公顷，城镇化率较高，地表径流系数为0.78，整体排水系统为合流制排水系统，该系统内合流污水通过道路现状合流管道汇流到末端排口，截污设计方案为末端通过截流井进入截污干管，超过截污能力后进入调蓄池，超过调蓄池容积能力后溢流至下游明渠。研究基于城市水系统模型，辅助合流制调蓄池规模的确定并量化评估调蓄池控制效果，具体实施过程包括：
1、基于城市水系统仿真模型，建立合流制调蓄池动态模拟模型；通过拖住模块(汇水区、分流器、节点、管道、调蓄池、排口等)和连接模块实现快速建模；
2、确定调蓄池服务范围内合流制汇水区参数设置；面积为1.66km2；特征宽度为41000m；坡度为0.3％；不透水百分比为55％；透水地表曼宁系数为0.5；不透水地表曼宁系数为0.2；透水地表洼蓄为5.0mm；不透水地表洼蓄为2.5mm；最大入渗速率为25.4mm/h；最小入渗速率为5.0mm/h；入渗衰减系数为4.0h-1；干燥天数7.0d；不限制最大入渗量。
3、确定气象数据：潜在日蒸发强度为7mm/d(也可按月输入)；场次降雨采用1年一遇2h降雨历时的芝加哥雨型，场次降雨模拟结束时间延迟至降雨结束后2h；连续降雨采用当地2009年5min间隔降雨数据。
4、确定旱季污水量及截流倍数：根据普查数据，估计旱季污水量为0.0261m3/s，截流倍数为一倍截流；通过分流器模拟截流设施，分流器截流0.0522m3/s的流量进入截污干管，超过0.0522m3/s的流量会进入调蓄池，参见图2、3；
5、确定模拟参数设置：有限差分计算时间步长为5min；降雨场次划分参数设置如下：降雨间隔期为2.0h；场次降雨扣除量为2.0mm；
6、确定调蓄池设计参数：设置调蓄池规模参数且调蓄池形状不随深度变化；调蓄池排空规则是24小时排空；
7、模拟计算，得出一定调蓄池规模下系统的溢流量和溢流频次并记录在表格中；
8、重复步骤6，调整调蓄池规模参数，重复计算，得出调蓄池不同设计规模(0～20万m3)下系统的溢流量和溢流频次；
9、统计分析，计算不同调蓄池规模下的溢流削减率，统计结果入下表所示，并绘制不同调蓄池规模下此合流制系统溢流量、溢流削减率和溢流频次的成本效益曲线，参见图4、5。
表1不同调蓄池规模下合流制系统溢流量、溢流削减率和溢流频次表
调蓄池容积(万m<sup>3</sup>) 溢流量(万m<sup>3</sup>) 溢流削减率(％) 溢流频次
0 73.75 0 29
0.1 69.70 5.49 17
0.2 66.52 9.81 17
0.3 63.59 13.78 15
0.4 60.95 17.35 14
0.5 58.58 20.57 13
0.6 56.70 23.12 12
0.7 55.18 25.18 10
0.8 53.89 26.94 7
0.9 52.61 28.66 7
1 51.36 30.36 7
1.5 45.30 38.58 7
2 40.28 45.39 6
2.5 37.10 49.69 5
3 34.02 53.87 4
3.5 31.80 56.89 4
4 29.63 59.82 3
5 25.98 64.77 2
6 23.33 68.37 2
8 18.13 75.42 1
10 13.05 82.31 1
15 1.50 97.96 1
20 0.00 100.00 0
本发明基于城市水系统控制仿真模型，利用场次或连续降雨进行水文径流模拟，通过设置调蓄池规模和排空规则，动态模拟调蓄池入流、排空过程，统计设计调蓄规模下场次溢流事件和溢流量，得出成本效益曲线，合理确定调蓄池规模。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，其特征在于：包括下述步骤：
步骤1：基于城市水系统仿真模型，建立合流制调蓄池动态模拟模型；
步骤2：确定调蓄池服务范围内合流制汇水区水文属性：
步骤3：确定气象数据，即月均潜在日蒸发强度和降雨时间序列；
步骤4：确定旱季污水量及截流倍数；
步骤5：确定模拟参数及降雨场次划分参数；
步骤6：确定调蓄池设计参数，即设计规模、形状曲线和排空时间；
步骤7：模拟计算，得出一定调蓄池规模下系统的溢流量和溢流频次并记录在表格中；
步骤8：重复步骤6调整调蓄池规模参数，重复计算，得出不同调蓄池规模下系统的溢流量和溢流频次；
步骤9：统计分析，计算不同调蓄池规模下的溢流削减率，并绘制不同调蓄池规模下此合流制系统溢流量、溢流削减率和溢流频次的成本效益曲线。
2.根据权利要求1所述的一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，其特征在于：所述步骤1中，基于城市水系统仿真模型，通过拖住模块和连接模块实现建模。
3.根据权利要求1所述的一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，其特征在于：所述步骤2中，合流制汇水区水文属性包括面积、宽度、坡度、不透水百分比、透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数、透水区洼蓄、不透水区洼蓄、最大入渗速率、最小入渗速率、入渗衰减系数、干燥天数、最大入渗量。
4.根据权利要求1所述的一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，其特征在于：所述步骤4中，通过分流器模拟分流/截流设施，分配上游来水流量，来水流量一部分通过分流器模拟截流设施进入截污干管，另一部分流量会进入调蓄池。
5.根据权利要求1所述的一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，其特征在于：所述步骤5中，降雨场次划分参数设置如下：降雨间隔期为2.0h，场次降雨扣除量为2.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，其特征在于：所述步骤6中，通过设置调蓄池最大深度、深度-面积曲线来确定设计规模和形状曲线，通过设置泵的最大功率以及泵的启闭液位来确定调蓄池的排空时间。
7.根据权利要求1所述的一种用于辅助CSO调蓄池规模设计的动态模拟和成本效益分析方法，其特征在于：所述步骤9中，统计得出不同调蓄池规模下合流制系统溢流量、溢流削减率和溢流频次表，并绘制调蓄池规模、溢流量、溢流削减率曲线图和调蓄池规模与溢流频次关系曲线图。
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